DE602005005685T2

DE602005005685T2 - Einrichtung und Verfahren zur Demodulation von modulierten elektromagnetischen Wellenfeldern

Info

Publication number: DE602005005685T2
Application number: DE602005005685T
Authority: DE
Inventors: Bernhard Büttgen
Original assignee: Mesa Imaging AG
Current assignee: Mesa Imaging AG
Priority date: 2005-10-19
Filing date: 2005-10-19
Publication date: 2009-07-09
Anticipated expiration: 2025-10-20
Also published as: CA2624299C; JP5043850B2; WO2007045108A1; CN101310387B; US20080239466A1; DE602005005685D1; US7884310B2; AU2006303801A1; CN101310387A; ATE390715T1; KR101250688B1; AU2006303801B2; JP2009515147A; EP1777747B1; US8115158B2; EP1777747A1; US20110101206A1; KR20080053377A; CA2624299A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pixelvorrichtung für die Detektion und die Demodulation von modulierten elektromagnetischen Wellen, insbesondere von Wellen mit Frequenzen innerhalb des optischen Frequenzspektrums, gemäß den Oberbegriffen der selbständigen Ansprüche.
Die Pixelvorrichtung kann in allen Anwendungen ausgenutzt werden, welche Pixel mit hoher Photoempfindlichkeit verbunden mit schnellen Abtastungen auf dem Pixel verlangen. Diese Pixeleigenschaften werden besonders zum Demodulieren temporär intensitätsmodulierter elektromagnetischer Lichtwellen gesucht. Derartige Pixel sind insbesondere für Sensoren zur kontaktlosen Entfernungsmessung auf der Grundlage des Laufzeitprinzips oder der Interferometrie aber auch bei biochemischen) Anwendungen mit Phasenmessung interessant, wie beispielsweise bei Fluoreszenz-Anwendungen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In dem deutschen Patent DE 4 440 613 C1 (Spirig, „Vorrichtung und Verfahren zur Detektion eines intensitätsmodulierten Strahlungsfeldes", 1996) wird eine Demodulationsvorrichtung präsentiert, welche das Auftreffen eines optisch sinusförmig modulierten Lichtsignals n Mal abtastet. Ladungsgekoppelte Vorrichtungen werden für die Detektion des Lichtsignals und den nachfolgenden Transport der erzeugten Photoladungen verwendet. Geschwindigkeitsbegrenzungen sind hauptsächlich durch die langsamen Diffusionsprozesse während des Transports der Ladungsträger gegeben. Diese Aufgabe wird noch wichtiger, wenn der Pixel mit einem großen Photodetektionsbereich mit erhöhter Empfindlichkeit entworfen wird.
Die deutsche Patentanmeldung DE 1 982 1974 A1 (Schwarte, „Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung von Phase und Amplitude elektromagnetischer Wellen", 1999) offenbart ein Photonenmischelement. Um einen Pixel mit hoher Empfindlichkeit und mit einer Demodulationseinrichtung mit hoher Geschwindigkeit zu bekommen, wird eine kombinierte Struktur streifenartiger Elemente vorgeschlagen, welche jeweils kurze Transportwege aufweisen. Dennoch führt die streifenartige Struktur immer noch zu einem schlechten Füllfaktor, weil die Bereiche zwischen den Streifen nicht photoempfindlich sind.
Ein anderer Ansatz für großflächige Demodulationspixel mit hoher Empfindlichkeit und hoher Demodulationsgeschwindigkeit wird in der englischen Patentanmeldung GB 2 389 960 A (Seitz, „Four-tap demodulation Pixel", 2003) gegeben. Ein Photo-Gate mit hohem Widerstand und rechteckiger Form und großen Abmessungen erzeugt ein Drift-Feld innerhalb des Halbleitersubstrats, welches bewirkt, dass die erzeugten Photoladungen zu der bestimmten Abtast-Node driften. Hier kann jede Verzögerung des Abtastsignals, welches auf dem Photo-Gate aufgrund hoher RC-Zeiten entsteht, das Leistungsvermögen derartiger Demodulationspixel reduzieren. Insbesondere sind hohe Frequenzen schwierig zu realisieren, wenn gleichzeitig viele Pixel gesteuert werden. Dann stellen die externe Elektronik und ihre eingeschränkte Ansteuerungsfähigkeit großer Kapazitäten den beschränkenden Faktor dar.
Allen oben stehend beschriebenen Pixelstrukturen ist gemeinsam, dass die laterale Leitung der erzeugten Photoladungen in eine spezifische Richtung immer von dem Gegentaktsignal auf einer Gate-Struktur abhängt. Um höhere Empfindlichkeiten zu bekommen, muss der Photodetektionsbereich vergrößert werden. Die Ergebnisse sind entweder erhöhte parasitische kapazitive Widerstände, welche geschaltet werden müssen, oder längere Transportwege. Beide Gesichtspunkte sind unerwünscht, weil sie die Verwendung der Vorrichtungen mit hohen Frequenzen verhindern. Wenn sich die Kapazitäten des Schalt-Gates erhöhen, werden die Geschwindigkeitsbegrenzungen von den elektronischen Treiberkomponenten gegeben. Auf der anderen Seite reduzieren lange Transportwege die Geschwindigkeit der erzeugten Photoladungen in der Vorrichtung, was hohe Demodulationsfrequenzen unmöglich macht.
Der Artikel „Solid-State Time-Of-Flight Range Camera", Lange R et al, IEEE Journal of Quantum Electronics, IEEE Service Center, Piscataway, NJ, USA, Bd. 37, Nr. 3, März 2001 (2001-03), Seiten 390 bis 397, ISSN: 0018-9197, beschreibt eine Kamera für die 3D-Bildgebung, welche auf einem Array von Demodulationspixeln basiert, welche in der Lage sind, zu detektieren und gleichzeitig eine eintreffende HF-modulierte Szenenbeleuchtung zu demodulieren.
Die neue Demodulationsvorrichtung löst die Aufgabe des Kompromisses zwischen der Empfindlichkeit und der Demodulationsgeschwindigkeit. Beide Gesichtspunkte können von dem Pixel gleichzeitig erfüllt werden, ohne dass ein Qualitätsverlust des Abtastsignals oder des Füllfaktors hingenommen werden muss. Im Gegensatz dazu weist der Pixel sogar weitere Vorteile auf, welche nachfolgend erklärt werden.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verfügbare Pixelstruktur bereitzustellen, welche sowohl eine hohe Empfindlichkeit als auch eine Fähigkeit zu hoher Geschwindigkeit in Bezug auf ein Demodulieren des auftreffenden Signals zeigt, und andere Aufgaben, z. B. die Fähigkeit mit geringem Stromverbrauch zu arbeiten, werden von der Vorrichtung gelöst, wie sie in dem ersten Anspruch definiert ist. Bevorzugte, vorteilhafte oder alternative Merkmale der Erfindung werden in abhängigen Ansprüchen ausgeführt.
Die Pixelvorrichtung der Erfindung in einem Halbleitersubstrat ist eingerichtet, ein einfallendes moduliertes elektromagnetisches Wellenfeld zu detektieren und/oder zu demodulieren. Sie umfasst

– Detektierungsmittel zum Umwandeln des einfallenden elektromagnetischen Wellenfelds in ein elektrisches Signal strömender Ladungen
– Abtastmittel zum Abtasten des elektrischen Signals strömender Ladungen in mindestens zwei verschiedenen Zeitintervallen innerhalb einer Modulationsperiode, und
– mindestens zwei Ausgabe-Nodes für elektrische Signale, welche von den Abtastmitteln abgetastet wurden.

Die Pixelvorrichtung umfasst vorteilhafterweise weiterhin Demodulationsmittel, welche die mindestens zwei Ausgabe-Nodes und die Abtastmittel umfassen, wobei die Abtastmittel zweite Übertragungsmittel aufweisen, eine Kontakt-Node, welche zwischen den Detektionsmitteln und den Demodulationsmitteln angeordnet ist, und Detektionsmittel, welche erste Übertragungsmittel umfassen. Die ersten Übertragungsmittel sind eingerichtet, das Signal strömender Ladungen an die Kontakt-Node zu übertragen, die zweiten Übertragungsmittel sind eingerichtet, das Signal strömender Ladungen während jedes der mindestens zwei Zeitintervalle von der Kontakt-Node an die mindestens zwei Ausgabe-Nodes zu übertragen, welche dem entsprechenden Zeitintervall zugewiesen sind.
Die Pixelvorrichtung gemäß der Erfindung ist folglich in der Lage, optische Wellen mit sehr hoher Geschwindigkeit und gleichzeitig mit hoher Empfindlichkeit zu demodulieren. Die Übertragung der erzeugten Photoelektronen über den potenziell großen photoempfindlichen Bereich des Detektionsbereichs wird hauptsächlich durch ein laterales statisches Drift-Feld erzielt, welches ein konstantes elektrisches Feld ist. Dies führt zu einem sehr schnellen Transportvorgang in der Domäne der Ladungen, und es werden hohe Demodulationsfrequenzen bis in den Gigahertz-Bereich ohne jeden Empfindlichkeitsverlust erreichbar. Der Demodulationsvorgang in dem Pixel wird in der fast rauschfreien Domäne der Ladungen durchgeführt. Die Anforderungen an die Treiberelektronik werden auch reduziert, weil alle dynamisch gesteuerten Strukturen in dem Pixel Abmessungen aufweisen, welche so klein wie möglich sind. Die Demodulation des erzeugten Signals strömender Photoladungen, auch Signal strömender Ladungen oder Signal eines Ladungsflusses genannte, wird durch eine schnelle Aktivierung von Leitungskanälen durchgeführt. Diese Leitungskanäle weisen kleinste Weglängen für den Ladungstransport auf. Der schnelle Transportvorgang und die schnelle Aktivierung von Leitungskanälen, welche Übertragungsmittel sind, ermöglichen die Demodulation hoher Signalfrequenzen. Weiterhin bedeuten die geringen Abmessungen des Demodulationsbereichs geringe parasitische kapazitive Widerstände der Steuer-Gates, welche schnell geladen oder erneut geladen werden müssen, so dass eine große Anzahl Pixel gleichzeitig bei hohen Frequenzen angesteuert werden kann. Die Gesamtanforderungen an die Treiberelektronik werden aufgrund der geringen Kapazitäten drastisch reduziert, und deshalb wird die Demodulationseffizienz noch weiter erhöht.
Eine hohe optische Empfindlichkeit des Pixels ist möglich, weil die Abmessungen des Detektionsbereichs im Wesentlichen entworfen werden können und nur durch die maximale Übertragungsgeschwindigkeit der Ladungen in dem Halbleitersubstrat und durch die dazugehörige maximale Demodulationsfrequenz eingeschränkt werden.
Auf der Grundlage dieser Pixelarchitektur können Sensoren für viele verschiedene Anwendungen realisiert werden. Insbesondere sind dies Anwendungen mit der Notwendigkeit, optische Wellen zu demodulieren, beispielsweise die dreidimensionale Bildgebung, die Fluoreszenz-Messung, die optische Datenübertragung usw.
Die Pixelvorrichtung gemäß der Erfindung ist in der Lage, optische Signale bei geringen sowie bei hohen Frequenzen zu demodulieren, z. B. bis zu mehreren hundert MHz. Parallel zu der Hochfrequenzdemodulation, welche unterstützt wird, stellt der Pixel gleichzeitig auch eine hohe optische Empfindlichkeit bereit.
Die Pixelvorrichtung gemäß der Erfindung definiert eine Unterscheidung zwischen dem Photodetektionsbereich und des potenziell nicht photoempfindlichen Demodulationsbereichs, ohne den Verarbeitungspunkt des Pixels zu verlassen, welcher sich in der rauscharmen Ladungsdomäne befindet. Der Photodetektionsbereich besteht aus einer Architektur, welche gestattet, ein konstantes laterales Drift-Feld in dem Substrat zu erzeugen. Das konstante Drift-Feld bewirkt, dass erzeugte Photoladungen in die Richtung des höheren elektrischen Potenzials driften. Es existieren verschiedene Möglichkeiten der Erzeugung konstanter lateraler Drift-Felder. Um einige Beispiele zu nennen: Gate-Strukturen mit hohem Widerstand, aufeinanderfolgende vorgespannte Gates, Floating-Gates oder Floating-Diffusionen in dem Substrat. Der Demodulationsbereich, ob er photoempfindlich ist oder nicht, ist so klein wie möglich entworfen und wird nur von den bestimmten Prozessregeln beschränkt. Die erzeugten Photoladungsträger werden in den Demodulationsbereich injiziert und durch einen der Leitungskanäle zu einem so genannten Speicherort abgeleitet. Der bestimmte Leitungskanal wird durch ein Spannungssignal auf einem der Kontakte aktiviert. Die spezifische Steuerung der Aktivierung der Leitungskanäle entspricht dem Demodulationsprozess.
Die Pixelvorrichtung gemäß der Erfindung ist weniger empfindlich gegenüber asymmetrischer Demodulation, d. h. gegenüber einem ungleichen Abtastvorgang in dem Demodulationsbereich. Der Grund für weniger Suszeptibilität ist, dass der Demodulationsvorgang nicht mehr durch die Richtung des Lichts, welches auf den Pixel auftrifft, beeinflusst wird. Dies ist sogar vorteilhafter, wenn der Demodulationsbereich als nicht photoempfindlich entworfen wird.
Ein anderer Vorteil der Demodulationsmittel der Pixelvorrichtung ist die Möglichkeit, nicht streifenartige Strukturen, sondern quadratische Pixelformen zu entwerfen. Dies führt zu einer enormen Verbesserung des räumlichen (lateralen) Abtastens der Szene, und es ermöglicht die effiziente Verwendung von Mikrolinsen-Arrays. Noch ein anderer Vorteil der Pixelvorrichtung ist eine geringere Verzerrung des Abtastsignals aufgrund von Verzögerungen und Dämpfungen innerhalb des Demodulationsbereichs, weil der dynamisch gesteuerte Teil des Pixels so klein wie möglich gehalten wird. Der große photoempfindliche Detektionsbereich wird statisch gesteuert.
Die Pixelvorrichtung gemäß der Erfindung ist auf alle Arten von Anwendungen anwendbar, bei welchen eine Detektion der elektromagnetischen Wellen nötig ist. Ferner ist die Pixelvorrichtung am besten für Anwendungen geeignet, bei welchen eine Demodulation der elektromagnetischen Welle erforderlich ist, besonders wenn die Welle ein intensitätsmoduliertes optisches Signal ist. Die Demodulationsfähigkeit des Pixels bei hohen Frequenzen und gleichzeitig mit hoher optischer Empfindlichkeit macht den Pixel äußerst geeignet für dreidimensionale Entfernungsmessungen mit hohen Genauigkeiten. Die Einrichtung vollständiger ein- oder zweidimensionaler Arrays gestattet dreidimensionale Echtzeit-Erfassungen, ohne jedes bewegliche Teil innerhalb des ganzen Systems. Jedes Modulationsschema ist anwendbar, d. h. Sinuswellenmodulations-, Rechteckmodulations-, codierte Modulationsschemata, wie beispielsweise Pseudo-Rauschmodulation sowie frequenzmodulierte Signale und Chirp-Signale. Es sind jedoch neben den oben stehenden Modulationsverfahren mit kontinuierlicher Welle auch impulsmodulierte Schemata mit der Pixelvorrichtung der vorliegenden Erfindung anwendbar.
Die photoempfindliche Pixelvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht das Abtasten modulierter elektromagnetischer Wellen, insbesondere im optischen Bereich, mit höchster Genauigkeit. Sie weist eine kompakte Größe auf, und sie kann deshalb gut mit zusätzlichen elektronischen Schaltungen auf einem einzelnen Chip integriert werden. Die spezielle Architektur gestattet das Herstellen dieses Pixels bei jedem komplementären Metalloxid-Halbleiter-(CMOS)- oder ladungsgekoppelten Schaltungs-(CCD)-Vorgang mit Silizium als Substratmaterial, was die Herstellung sehr kosteneffizient macht. Alternative Substratmaterialien, wie beispielsweise Silizium, Germanium und so weiter, unterstützen sogar höhere Frequenzen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausführungsformen der Erfindung und zum Vergleich eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik werden hier nachfolgend mit Bezug auf die angefügten schematischen Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
1 zeigt ein allgemeines Blockdiagramm der Struktur eines Demodulationspixels gemäß der Erfindung.
2 zeigt eine Schemaansicht eines Demodulationsbereichs gemäß der Erfindung.
3 zeigt eine Schemaansicht eines Bildsensors, welcher ein zweidimensionales Array von Demodulationspixeln gemäß der Erfindung umfasst.
4 zeigt ein Prinzipschema der dreidimensionalen Messeinrichtung unter Verwendung eines Sensors, welcher einen Demodulationspixel umfasst.
5 zeigt Diagramme, welche die optische Intensität und den Ladungsstrom als eine Funktion der Zeit für das emittierte Signal bzw. das empfangene Signal unter Verwendung des Prinzips der 4 darstellen.
6 zeigt fünf verschiedene Ausführungsformen der Struktur eines Detektionsbereichs gemäß der Erfindung.
7 zeigt eine erste Ausführungsform der Struktur des Demodulationsbereichs gemäß der Erfindung.
8 zeigt eine zweite Ausführungsform der Struktur des Demodulationsbereichs gemäß der Erfindung.
9 zeigt zwei bekannte Ausführungsformen für die Realisierung eines Verstärkers, welcher innerhalb oder außerhalb des Demodulationspixels gemäß der Erfindung verwendet wird.
10 zeigt vier Ausführungsformen eines Demodulationspixels gemäß der Erfindung.
11 zeigt eine erwünschte zweidimensionale elektrische Feldverteilung für eine dendritische Gate-Struktur
12 zeigt eine Draufsicht kombinierter Gate-Strukturen mit niedrigem-hohem Widerstand, welche die elektrischen Feldverteilungen realisieren.
13 zeigt einen Querschnitt eines Detektions- oder eines Demodulationsbereichs mit Floating-Gates.
14 zeigt einen Querschnitt eines Detektions- oder eines Demodulationsbereichs mit Floating-Implantaten.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt einen photoempfindlichen Pixel gemäß der Erfindung. Dieser photoempfindliche Pixel DP umfasst einen lichtempfindlichen Detektionsbereich 1, einen Demodulationsbereich 2, eine optionale Stufe 4 für alle Arten von Datenverarbeitungen und gegebenenfalls einen Verstärkungsschaltkomplex 6. Beim Empfang elektromagnetischer Strahlung, z. B. von Lichtstrahlung, auf der photoempfindlichen Fläche des Detektionsbereichs 1 und potenziell des Demodulationsbereichs 2 werden Photoladungsträger erzeugt.
Der Detektionsbereich 1, insbesondere wenn er groß ausgelegt wurde, muss die erzeugten Photoladungsträger so schnell wie möglich zu dem Demodulationsbereich 2 transportieren, um alle Tiefpassfilterwirkungen auf das optoelektronisch umgewandelte Signal zu minimieren, welches auch ein elektrisches Signal strömender Ladungen oder Photostromsignal genannt wird. Der schnelle Ladungsträgertransport an den Demodulationsbereich 2 wird durch ein laterales Drift-Feld in die bestimmte Richtung realisiert. Dieses Drift-Feld kann durch verschiedene Verfahren erzeugt werden. Die folgende Aufstellung einiger möglicher Verfahren schränkt den Pixel nicht nur auf diese Ansätze ein. Eine mögliche Realisierung statischer Drift-Felder geschieht durch ein phototransparentes Gate aus Material mit hohem Widerstand über dem Halbleitersubstrat und einer Isolatorschicht. Hoffmann beschreibt eine derartige Architektur für Speichervorrichtungen („Surface Charge Transport with an MOS-Transmission-Line”, Solid-State Electronics, Bd. 20, Seiten 177 bis 181, 1977). Das Anlegen einer Potenzialdifferenz erzeugt einen Stromfluss durch das Gate, und deshalb wird ein konstantes laterales elektrisches Feld erzeugt. Diese Potenzialverteilung wird auf das Halbleitersubstrat aufgrund der kapazitiven Koppelung zwischen dem Gate und dem Halbleiter gespiegelt, so dass erzeugte Photoladungen durch das elektrische Drift-Feld ausgerichtet werden. Andere Beispiele zum Erzeugen lateraler elektrischer Drift-Felder innerhalb des lichtempfindlichen Detektionsbereichs des Pixels wenden fragmentierte Gate-Strukturen, Floating-Gates oder Floating-Diffusionen an, wie bei den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung illustriert wird. Weiterhin führt der Aufbau eines lateralen schrittweisen Dotierungsgradienten an der Halbleiteroberfläche zu einem Detektionsbereich mit eingebauten Drift-Feldern, welche nicht notwendigerweise ein weiteres Anlegen einer Spannung erfordern. Das grundlegende Konzept derartiger eingebauter Drift-Felder wurde von Lattes („Ultrafast Shallow-Buried- Channel CCD's with Built-in Drift Fields", IEEE Electron Device Letters, Bd. 12, Nr. 3, März 1991) beschrieben. In jedem Fall ist es bevorzugt, dass das Drift-Feld die Diffusionsprozesse der Ladungsträger dominiert, so dass die Geschwindigkeit der Ladung v in die Richtung des Demodulationsbereichs wie folgt abgeschätzt werden kann v = μ·Edrift, wobei μ die Beweglichkeit der Ladungsträger in dem Halbleitersubstrat beschreibt und Edrift das elektrische Feld ist. Diese proportionale Beziehung zwischen der Geschwindigkeit der Ladungsträger und des Drift-Felds ist gültig, bis Sättigungseffekte der Ladungsbeweglichkeit aufgrund sehr hoher Spannungen auftreten. In diesem Fall müssen nicht lineare Modelle, welche in dem Gebiet der Halbleiterforschung wohlbekannt sind, berücksichtigt werden. Einige verschiedene Modelle werden z. B. von Jacoboni („A Review Of Some Charge Transport Properties Of Silicon", Solid-State Electronics, Bd. 20, Seiten 77 bis 89, 1977) beschrieben. Die maximal erzielbare Geschwindigkeit wird Sättigungsgeschwindigkeit vsat genannt. Sie ist ein Material-spezifischer Parameter und definiert das maximale angemessene Drift-Feld Edriftmax, welches an den Detektionsbereich des Pixels angelegt wird. In einer ersten Näherung auf der Grundlage der linearen Beziehung zwischen der Geschwindigkeit und dem Drift-Feld wird das maximal angemessene Drift-Feld wie folgt berechnet: Edriftmax = vsat/μ
Die erzeugten Photoladungen werden unmittelbar in den Demodulationsbereich 2 injiziert, welcher einen Korrelationsprozess des Photostromsignals mit einem Bezugssignal durchführt. Dadurch kann der Demodulationsbereich teilweise oder sogar vollständig lichtempfindlich sein, aber er kann auch nicht photoempfindlich sein, weil die Größe des Demodulationsbereichs 2 viel kleiner ist als diejenige des tatsächlichen Detektionsbereichs 1. Die Ausgabe des Demodulationsbereichs 2 ist ein Satz von k Abtastwerten A1 bis Ak des Modulationssignals, wobei k eine positive ganze Zahl mit einem Wert von mindestens gleich 2 ist. Alle Arten eines Verarbeitungsschaltkomplexes 4 können für eine unmittelbare, dem Pixel innewohnende Verarbeitung der Abtastungen, z. B. für Analog-Digital-Wandler, verwendet werden. Schließlich liefert jeder Pixel j Ausgabewerte out1 bis outj, welche bereits in dem Pixel selbst verstärkt werden können, wobei j eine positive ganze Zahl ist. Derartige Verstärker können mit Verstärkerstufen in normalen APS (aktiven Pixel-Sensoren) verglichen werden. Wenn der Pixel keinen Verarbeitungsschaltkomplex 4 aufweist, weist der Pixel dann j Ausgabewerte entsprechend der Anzahl der Abtastungen k mit j = k auf.
Der Demodulationsbereich 2 führt einen „Korrelationsprozess" aus, wie es in den Begriffen der Signaltheorie ausgedrückt wird. Die Vorrichtung, welche für diesen Korrelationsprozess eingesetzt wird, wird in allgemeiner Form in 2 dargestellt. Nachdem die erzeugten Photoladungsträger in die Vorrichtung injiziert wurden, werden sie durch so genannte Leitungskanäle CC1, ..., CCk an Speicherorte S1, ..., Sk abgeleitet, welche neben den Leitungskanälen angeordnet sind. In dem Speicherort werden die Ladungsträger über eine bestimmte Zeitspanne gesammelt. Eine Summe von k Leitungskanälen und k Speicherorten existiert innerhalb des Demodulationsbereichs. Jeder Leitungskanal CC1, ..., CCk kann getrennt durch einen der k Kontakte GC1, ..., GCk aktiviert werden. Die kluge Steuerung der Kanalaktivierung gestattet ein Abtasten des Signals des injizierten Ladungsstroms. Die Implementierung des Demodulationsbereichs 2, welcher hier nachfolgend auch Demodulationseinheit genannt wird, wird z. B. durch eine kompakte Gate-Struktur mit k Kontakten GC1, ..., GCk ausgeführt. Die Struktur kann intern durch mehrere benachbarte Gates aufgebaut werden, deren Grenzen möglicherweise überlappen, da sie von CCD-Prozessen bereitgestellt wird. Die geometrischen Breiten der Gates müssen die minimalen Abmessungen der Merkmale nicht übersteigen, wie sie durch die spezifische Verarbeitungstechnik vorgeschrieben sind, so dass die kleinsten möglichen Demodulationseinheiten realisiert werden können. Eine andere Möglichkeit für die Realisierung der Gate-Struktur ist ein Gate mit hohem Widerstand, welches dem ähnlich ist, welches für photoempfindliche Vorrichtungen verwendet wird, welche in GB 2 389 960 A (Seitz, „Four-tap demodulation Pixel") und in EP 044 005 489 (Büttgen et al, „Large-area Pixel for use in an image sensor") beschrieben sind. Die Abmessungen sollten wiederum so klein wie die Entwurfsregeln erlauben gehalten werden, um einen hohen Füllfaktor und gleichzeitig eine Unterstützung hoher Modulationsfrequenzen zu bekommen.
Alle Gate-Strukturen, ob sie für den Detektionsbereich 1 oder für den Demodulationsbereich 2 verwendet werden, werden oben auf einer Isolatorschicht aufgebaut, welche die Gate-Struktur von dem zugrundeliegenden Halbleiter trennt. Der Isolator weist eine Dicke auf, welche ausreichend ist, um die kapazitive Koppelung zwischen dem Halbleiter und der Gate-Struktur zu ermöglichen, so dass die Potenzialverteilung auf der Gate-Struktur immer auf die Halbleiteroberfläche gespiegelt wird. Ohne Einschränkung des erfundenen Pixels auf einen spezifischen Prozess, liegt die Dicke derartiger Isolatoren bei der CMOS- bzw. der CCD-Technik im Allgemeinen zwischen ein paar nm und einigen zehn nm. Wodurch der Halbleiter z. B. Silizium-Basismaterial sein kann, der Isolator meistens Halbleiter-Oxid ist und die Gate-Struktur aus optisch durchsichtigem und elektrisch leitendem Material besteht, z. B. aus Polysilizium. Erzeugte Photoladungsträger, welche in dem Demodulationsbereich 2 getrennt werden, sind im Grunde Minoritätsträger. In Abhängigkeit von dem Dotierungstyp, -Pegeln und -Profilen des Halbleitersubstrats werden entweder Elektronen oder Löcher innerhalb des Detektions- und des Demodulationsbereichs 1 und 2 transportiert und in ein Spannungssignal zum Auslesen umgewandelt, nachdem sie in den Speicherorten Sk gespeichert wurden und eventuell durch einen nachfolgenden Verarbeitungsschaltkomplex 4 weiter verarbeitet wurden. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfasst den Informationstransport durch Elektronen, weil die Beweglichkeit der Elektronen viel höher als die von Löchern ist, was zu einer besseren Demodulationsleistung führt. Alle Ladungstransporte unter einer Gate-Struktur können in vergrabenen Kanälen realisiert werden, um die Effizienz des Ladungstransports sogar noch stärker zu erhöhen.
Die geringe Größe des Demodulationspixels gestattet die Integration mehrerer Pixel, d. h. von ein paar Hundert oder Tausend, auf einem einzelnen Chip. Jeder Demodulationspixel ist mit einer Rücksetzleitung für das Rücksetzen der Speicherorte und Auswahlleitungen für Auslesezwecke ausgestattet. Weiterhin sind mit jeden Pixel k Leitungen für das Steuern der k Leitungskanäle CC1, ..., CCk des Demodulationsbereichs 2 verbunden. Diese k Leitungen werden für dynamische Signale verwendet. Mit jedem Pixel sind zwei zusätzliche Leitungen verbunden, welche die Spannungssignale für die Drift- Felder in den Pixeln bereitstellen. Andere Leitungen werden für die Speicher-Nodes und alle eventuell verfügbaren Logikschaltkomplexe verwendet.
3 zeigt insbesondere ein Verwendungsbeispiel des Pixels in einem Bildsensor mit einer Pixelmatrix aus m Zeilen und n Spalten. Jeder Pixel DP ist durch seine Raumkoordinaten (x, y) festgelegt, wobei x eine ganze Zahl mit einem Wert von 1 bis n und y eine ganze Zahl mit einem Wert von 1 bis m ist. Die Quellen sind angegeben: ein Generator zur Auswahl von Zeilenadressen RAG, ein Generator zur Auswahl von Spaltenadressen CAG, ein Rücksetzgenerator RG zum Zurücksetzen des abgetasteten Werts der Pixel, ein Elektrodenkontakt-Spannungsmustergenerator CPG zum Steuern der Leitungskanäle in dem Demodulationsbereich, ein Spannungsgenerator DFG für die Erzeugung eines konstanten Drift-Felds in dem Detektionsmodul und eine Vorspannungsleitung VB.
Jeder Pixel DP(x, y) ist mit dem Rücksetzsignalerzeuger RSG über einen Spannungspegel VR und den Spannungsgenerator für das statische Drift-Feld DFG in dem Photodetektionsbereich verbunden. Zwei Spannungspegel VL1 und VL2 sind für die Erzeugung des statischen Drift-Felds verantwortlich. Der Demodulationsbereich erfordert k Verbindungsleitungen L1, ..., Lk und k Kontakte GC1, ..., GCk entsprechend der Anzahl von Abtastungen bzw. von Speicherorten in jedem Pixel. Gemäß der Verarbeitung der k Abtastungen in dem Pixel sind j Ausgabewerte out1, ..., outj pro Pixel verfügbar und werden innerhalb des Pixels verstärkt. Der Lasttransistor LT1, ..., LTj, welcher durch die Leitung VB vorgespannt wird, stellt den korrekten Strom für den Verstärker in dem Pixel bereit.
Diese Lasttransistoren LT1, ..., LTj der Ausgabeverstärkerstufen werden außerhalb des Pixels dargestellt, um höhere Füllfaktoren zu erhalten. Jedoch kann ein derartiger Verstärker außerhalb des Pixels auch in dem Pixel existieren. Der Generator zur Auswahl von Zeilenadressen RAG kann eine vollständige Zeile adressieren, so dass die Ausgabewerte aller Pixel dieser Zeile auf j Leitungen MX1 ... MXj multiplexiert werden. Der Generator zur Auswahl von Spaltenadressen CAG ermöglicht die Ausgabe von nur einem Pixelwert. Beispielsweise wurde der Pixel in Zeile x und Spalte y, DP(x, y) ausgewählt. Die j Ausgabewerte werden außerhalb der Pixelmatrix z. B. mit Operationsverstärkern OA1, ..., OAj oder mit anderen Verstärkertechniken erneut verstärkt, um die externe Elektronik anzusteuern und Nichtlinearitäten der ersten Verstärkungsstufe in dem Pixel zu kompensieren. Von dem Generator zur Auswahl von Spaltenadressen CAG kann eine bestimmte Spalte ausgewählt werden. Alle Spaltenausgaben werden auf j Multiplexleitungen MX1 bis MXj multiplexiert.
Viele Anwendungen erfordern die Messung der Phasenverzögerungen zwischen einem optischen Signal und einem elektronischen Bezugssignal. Einige Beispiele sind die dreidimensionale (3D) Bereichsmessung, die Fluoreszenz-Bildgebung oder die optische Kommunikation.
Das erste Beispiel der dreidimensionalen Bildgebung wird herausgenommen und in 4 auf der Grundlage der Verwendung der neuen Pixelarchitektur dargestellt.
Moduliertes Licht ML1 aus einer Lichtquelle IM wird an das Objekt OB gesendet. Ein Anteil der gesamten ausgesendeten optischen Leistung wird auf die Kamera reflektiert und von dem Bildsensor detektiert. Der Sensor SN besteht aus einer Pixelmatrix, wobei jeder in der Lage ist, das auftreffende Lichtsignal zu demodulieren. Der Pixel DP umfasst die Architektur des erfundenen Pixels mit einem Detektionsbereich, welcher von dem Demodulationsbereich getrennt ist. Eine separate Steuerungskarte CB regelt das Zeitverhalten des ganzen Systems. Die Phasenwerte aller Pixel entsprechen den bestimmten Entfernungsinformationen eines Punkts in der Szene. Sie können ausgelesen und beispielsweise von einem Personal-Computer PC angezeigt werden.
Folglich kann die Erfassung der Entfernungsinformationen durch die Messung der Laufzeit erzielt werden. Dies ist die Zeit, welche das Licht für den Umlauf von dem Messsystem zu dem Objekt OB und wieder zurück zu dem System benötigt. Die Entfernung R wird berechnet durch R = (c·TOF)/2, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist und TOF der Laufzeit entspricht. Entweder pulsintensitätsmoduliertes oder kontinuierlich intensitätsmoduliertes Licht wird von dem Beleuchtungsmodul IM ausgesendet, von dem Objekt OB reflektiert und von dem Sensor SN detektiert. Wenn jeder Pixel des Sensors in der Lage ist, das optische Signal gleichzeitig zu demodulieren, ist der Sensor SN in der Lage, 3D-Bilder in Echtzeit zu liefern, d. h. Frame-Raten von bis zu 30 Hz oder sogar mehr sind möglich. Bei dieser Anwendung ermöglicht die Demodulationsfähigkeit des Pixels für diese Anwendung die Aussage aufgrund der Umlaufdauer bzw. der Laufzeit. Beim Pulsbetrieb würde die Demodulation die Laufzeit unmittelbar liefern. Die kontinuierliche Modulation liefert jedoch die Phasenverzögerung P zwischen dem emittierten Signal und dem empfangenen Signal, welche auch unmittelbar der Entfernung R entspricht: R = (P·c)/(4·pi·fmod),wobei fmod die Modulationsfrequenz des optischen Signals ist. Die Beziehung für Signale für den Fall der kontinuierlichen Sinusmodulation wird in 5(a) und 5(b) dargestellt. Obwohl dieses spezifische Modulationsschema hier nachfolgend beschrieben wird, ist die Verwendung des Pixels bei der 3D-Bildgebung überhaupt nicht auf dieses bestimmte Schema beschränkt. Jedes andere Modulationsschema ist anwendbar: z. B. Puls-, Rechteck-, Pseudorausch- oder Chirp-Modulation. Nur die abschließende Extraktion der Entfernungsinformationen ist verschieden. 5(a) zeigt sowohl die emittierten als auch die empfangenen Modulationssignale ES bzw. RS. Die Amplitude A des empfangenen Signals, der Versatz B des empfangenen Signals und die Phase P zwischen beiden Signalen sind unbekannt, doch sie können mit mindestens drei Abtastungen des empfangenen Signals unzweideutig rekonstruiert werden. In 5(b) wird ein Abtastvorgang mit vier Abtastungen pro Modulationsperiode dargestellt. Jede Abtastung ist eine Integration des elektrischen Signals über eine Dauer dt, welche ein vordefinierter Teil der Modulationsperiode ist. Um das Signal-Rausch-Verhältnis jeder Abtastung zu erhöhen, werden die erzeugten Photoladungen über mehrere Modulationsperioden gesammelt.
Durch wechselndes Aktivieren der Leitungskanäle CC1, ..., CCk des Demodulationsbereichs wird bewirkt, dass die erzeugte Photoladung, welche in den Demodulationsbereich 2 injiziert wird und sich unterhalb der vollständigen Gate-Struktur ausbreitet, an den spezifischen Speicherort driftet oder diffundiert. Der Wechsel der Kanalaktivierung wird synchron mit der Abtastfrequenz vorgenommen.
Die elektronische Zeitgeberschaltung, welche beispielsweise ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA) einsetzt, erzeugt die Signale für die synchrone Kanalaktivierung in der Demodulationsstufe. Während der Aktivierung eines Leitungskanals werden injizierte Ladungsträger an den entsprechenden Speicherort S1, ..., Sk zum Sammeln bewegt. Als Beispiel sind nur zwei Leitungskanäle CC1, CC2 in dem Demodulationsbereich 2 implementiert. Dann gestatten zwei Abtastungen A0 und A1 des Modulationssignals, welche zu Zeiten abgetastet werden, welche sich durch eine halbe Modulationsperiode unterscheiden, die Berechnung der Phase P und der Amplitude A eines sinusförmig intensitätsmodulierten und versatzfreien Stroms, welcher in die Abtaststufe injiziert wird. Die Gleichungen sehen wie folgt aus: A = (A0 + A1)/2 P = arcsin[(A0 – A1)/(A0 + A1)].
Ein Erweitern des Beispiels auf vier Leitungskanäle CC1 bis CC4 und vier Abtastwerte erfordert in der Praxis eine unterschiedliche Gate-Struktur des Demodulationsbereichs mit vier Kontakten CI bis C4 und vier Speicherorten SI bis S4 und einem geeigneten Taktschema für die Elektrodenspannungen, um vier Abtastwerte A0, A1, A2 und A3 des injizierten Stroms zu erhalten. Im Allgemeinen sind die Abtastungen das Ergebnis der Integration der injizierten Ladungsträger über viele Viertel der Modulationsperiode, wodurch schließlich jede Abtastung einer Vielzahl eines Viertels der Modulationsperiode entspricht. Die Phasenverschiebung zwischen zwei nachfolgenden Abtastungen beträgt 90 Grad.
Unter Verwendung dieser vier Abtastungen können die drei entscheidenden Modulationsparameter Amplitude A, Versatz B und Phasenverschiebung P des Modulationssignals aus den folgenden Gleichungen extrahiert werden A = sqrt[(A3 – A1)2 + (A2 – A1)2]/2 B = [A0 + A1 + A2 + A3]/4 P = arctan[(A3 – A1)/(A0 – A2)]
6 zeigt fünf verschiedene Strukturen DT1 bis DT5 für den Detektionsbereich 1. Unter Bezugnahme auf 6 betrifft der Parameter i die bestimmte Struktur des Demodulationsbereichs. In Abhängigkeit von der Struktur ist er eine ganze Zahl mit einem Wert von 1 bis n (n >= 2). Die erste Struktur DT1, welche in 6(a) und 6(b) gezeigt wird, basiert auf einer Halbleiter-Isolator-Gate-Architektur, wobei ein phototransparentes Material mit hohem Widerstand verwendet wird, auf welchem zwei Kontakte k1 und k2 angelegt sind. In 6(b) ist insbesondere der typische Aufbau einer CMOS- oder CCD-Vorrichtung mit dem Gate-Material GM1 mit hohem Widerstand oben, mit der Isolatorschicht IL1 darunter und mit dem Halbleitersubstrat SUB1 sichtbar, in welchem die Ladungen aufgrund von Photoneneinfall erzeugt werden. Das Gate GM1 ist verantwortlich für die Erzeugung des lateralen elektrischen Drift-Felds, wenn eine Spannungsdifferenz an den Kontakten k1 und k2 angelegt wird. Die resultierenden Potenzialverteilungen, welche in der Detektionsstruktur vorhanden sind, werden in 6(b) schematisch gezeigt. Minoritätsträger MIC, welche durch die Photodetektion erzeugt werden, driften zu dem höheren Potenzial, wie durch den Pfeil A angegeben, wo sie in den nachfolgenden Demodulationsbereich 2 injiziert werden.
In den drei anderen Struktur-Beispielen des Detektionsbereichs, welche in 6(c) bis 6(k) illustriert werden, weisen die mit 6(a) und 6(b) gemeinsamen Elemente der Struktur die gleichen Bezugszeichen auf. Bei all diesen Beispielen kann das Substrat eine allgemeine Trapezform mit zwei entgegengesetzten parallelen Seiten aufweisen, wobei der erste Kontakt K1 an der längeren dieser beiden parallelen Seiten und der zweite Kontakt K2 an der kürzeren dieser beiden parallelen Seiten angeordnet sind. Der zweite Kontakt ist eingerichtet, um zwischen dem Detektionsbereich und dem Demodulationsbereich angeordnet zu werden, wie in 10 ersichtlich ist. Diese bestimmte Trapezform, oder eine andere Form mit den gleichen Eigenschaften, weist den Vorteil auf, dass mehr als ein trapezförmiges Element mit einem gemeinsamen Demodulationsbereich verbunden werden kann, wobei die Gesamtheit der trapezförmigen Elemente den Detektionsbereich definiert. Wie in 10(a) ersichtlich ist, erhöht diese Konfiguration das Verhältnis zwischen der Größe des/der Detektionsbereichs/-größe und des/der Demodulationsbereichs/-größe.
Die zweite Struktur DT2 für den Detektionsbereich, welche in 6(c) und 6(d) gezeigt wird, basiert auf dem typischen Aufbau einer CMOS- oder CCD-Vorrichtung mit einer fragmentierten Gate-Struktur aus Material mit hohem Widerstand, welche aus aufeinanderfolgenden Fragmenten GM1.i, z. B. aus aufeinanderfolgenden, getrennten Streifen, welche an ihren Enden miteinander verbunden sind, zusammengesetzt sind. Der Rest der Struktur umfasst die gleichen Elemente wie in dem ersten Beispiel der 6(a) und 6(b), und das Drift-Feld wird auch durch den Stromfluss erzeugt. Die fragmentierte Gate-Struktur zielt auf ein Reduzieren des Stromverbrauchs des Gates selbst. Wie in 6(d) gezeigt, ist das laterale elektrische Drift-Feld ungefähr konstant.
6(e) und 6(f) zeigen ein drittes Beispiel der Struktur DT3 für den Detektionsbereich. Der Detektionsbereich umfasst phototransparente Floating-Gates FGi, d. h. aufeinanderfolgende, benachbarte Streifen, welche untereinander verbunden sind. Der Rest der Struktur umfasst die gleichen Elemente wie in dem ersten Beispiel der 6(a) und 6(b). Es werden zwei Spannungen an den Kontakten k1 und k2 angelegt, welche jeweils auf einem der äußeren Gates FG1, FGn der Gate-Struktur angeordnet sind. Die innen liegenden Gates nehmen aufgrund der kapazitiven Koppelung untereinander Zwischenspannungen an. Folglich gestattet die kapazitive Koppelung zwischen jedem Gate die Erzeugung eines konstanten Drift-Felds, welches auf die Oberfläche des Halbleitersubstrats SUB1 gespiegelt wird. Dieser Detektionsbereich funktioniert ohne jeden Stromverbrauch.
6(g) und 6(h) zeigen ein viertes Beispiel der Struktur DT4 für den Detektionsbereich. Der Detektionsbereich umfasst keine Gate-Struktur aber ein Substrat SUB10 mit aufeinanderfolgenden, parallelen Floating-Diffusionsbereichen FDi innerhalb einer Dotierungsmulde oder eines Dotierungskanals mit einer den Floating-Diffusionen selbst entgegengesetzten Dotierungskonzentration. Die beiden Kontakte k1 und k2 sind unmittelbar mit den äußeren Diffusionsbereichen FD1, FDn verbunden. Folglich werden zwei Spannungen an diese beiden Kontakte und folglich an die entsprechenden äußeren Diffusionsbereiche angelegt, so dass die innen liegenden Diffusionsbereiche Zwischenspannungen annehmen. Dies erfolgt aufgrund des Durchgreifmechanismus, wobei folglich die Drift-Felder für den schnellen Ladungstransport erzeugt werden. Dieses Beispiel vermeidet jeden Stromverbrauch des Detektionsbereichs durch eine Verwendung von Floating-Diffusionen.
6(i) und 6(j) zeigen ein fünftes Beispiel der Struktur DT5 für den Detektionsbereich. Der Detektionsbereich umfasst eine Gate-Struktur, bei welcher jedes parallele Gate VGi mit einer spezifischen Spannung verbunden ist. Die Spannung kann beispielsweise aus einer Leitung mit linearen Widerständen RL1 bis RLn-1 entnommen werden, welche innerhalb oder außerhalb des Pixels integriert ist. Das bestimmte Anlegen der Gate-Spannungen definiert die Potenzialeigenschaften in dem Substrat SUB1. In dem Beispiel werden n Gates mit n Vorspannungen V1, ..., Vn dargestellt, welche zu einem linearen Potenzialgradienten in dem Substrat führen, wie in 6(j) gezeigt.
7 und 8 illustrieren zwei Beispiele des Demodulationsbereichs gemäß der Erfindung.
7 zeigt ein Beispiel für den Demodulationsbereich auf der Grundlage einer Architektur mit ladungsgekoppelten Vorrichtungen, welche zwei Abtastungen des injizierten modulierten Stroms der erzeugten Photoladungen liefert. Der Demodulationsbereich umfasst eine Gate-Struktur mit drei aufeinanderfolgenden Gates, d. h. dem linken Gate LG, dem mittleren Gate MG, dem rechten Gate RG, wobei auf das Gate LG bzw. auf das Gate RG folgend ein Integrations-Gate IG1 und dann ein Entkopplungs-Gate DG1 bzw. ein Integrations-Gate IG2 und dann ein Entkopplungs-Gate DG2 liegen. Ferner sind bei dem Beispiel der 7 zwei Gate-Kontakte GC1, GCm auf jedem Gate angeordnet. Erzeugte Photoladungen, welche von dem Detektionsbereich kommen, werden in die Demodulationsstufe unter dem mittleren Gate MG eingespeist. Die beiden benachbarten Gates LG bzw. RG auf der linken und der rechten Seite des mittleren Gates MG werden verwendet, um den linken bzw. den rechten Leitungskanal für Demodulationszwecke zu aktivieren. Eine derartige Aktivierung bedeutet, das Potenzial entweder des linken oder des rechten Gates auf ein höheres Potenzial als das des mittleren Gates MG einzustellen und das Potenzial des anderen rechten oder linken Gates auf ein niedrigeres Potenzial als das des mittleren Gates MG einzustellen. Eine Darstellung der Potenziale, welche an die verschiedenen Gates zu einem gegebenen Zeitpunkt angelegt werden, wird in 7(a) gezeigt. Bei diesem bestimmten Beispiel, wobei das linke Gate ein höheres Potenzial als das mittlere Gate aufweist, wird der linke Leitungskanal verwendet. Folglich kann ein „Leitungskanal" durch die Abfolge der Gates zwischen einem ersten und einem zweiten Gate definiert werden, wobei ein erhöhtes Potenzial zwischen dem ersten und dem zweiten Gate die Ladungsträger von dem ersten Gate an das zweite Gate führt. Ein Leitungskanal wird durch ein Hochspannungssignal aktiviert, wenn p-dotiertes Halbleitersubstrat eingesetzt wird. Auf beiden Seiten werden die bestimmten Ladungsträger unter dem Integrations-Gate IG1 oder IG2 gespeichert. Die außen liegenden Gates, welche Entkopplungs-Gate DG1 und DG2 genannt werden, verhindern, dass die Ladungen unkontrolliert an die Ausgabe-Nodes D1, D2 diffundieren, welche auch Abtast-Nodes genannt werden. Wenn die Ladungsträger, welche in einem der Integrations-Gates IG1 oder IG2 gesammelt sind, an den Diffusionsbereich D1 oder D2 des Demodulationsbereichs übertragen werden sollen, wird der Potenzialpegel des Integrations-Gates IG1 oder IG2 und des linken und des rechten Gates LG und RG auf den Potenzialpegel des Entkopplungs-Gates DG1 oder DG2 eingestellt, was die Diffusion der Ladungsträger zu dem Diffusionsbereich D1 oder D2 ermöglicht.
Ein zweites Beispiel einer Demodulationsstufe wird in 8 dargestellt. Diese Architektur basiert auf einer Gate-Struktur mit einem geschlossenen Gate GS und vier Gate-Kontakten GC10 bis GC40. Nahe bei jedem Gate-Kontakt GC10 bis GC40 liegt ein Integrations-Gate IG10 bis IG40 gefolgt von einem Entkopplungs-Gate DG10 bis DG40. Nahe bei jedem Entkopplungs-Gate DG10 bis DG40 liegt ein entsprechender Diffusionsbereich D10 bis D40 in dem Substrat. Der Potenzialgradient der verschiedenen Gates und Diffusionsbereiche wird beispielsweise in 8(a) gezeigt. Der Potenzialgradient unter dem geschlossenen Gate mit hohem Widerstand GS ermöglicht aufgrund eines Stromflusses durch das Gate selbst die schnelle Trennung der injizierten Ladungen auf gerade eine Speicher-Node, welche ein Integrations-Gate umfasst. Der Strom wird unter das geschlossene Gate und zwischen zwei benachbarte Kontakte injiziert. Ein Leitungskanal wird realisiert, wenn ein Potenzial an einem der Gate-Kontakte, z. B. GC10, angelegt wird, welches höher ist als das Potenzial der anderen Gate-Kontakte des Demodulationsbereichs. Die Ladungsträger werden folglich an das entsprechende Integrations-Gate IG10 geleitet. Die Integrations-Gates entsprechen den Speicherorten der Ladungsträger ähnlich wie in 7. Auch bei diesem Beispiel verhindert die Struktur außen liegender Gates, welche die Entkopplungs-Gates umfasst, die unkontrollierte Diffusion von Ladungen an die Abtast-Nodes. Das Auslesen der Abtastungen kann zusätzliche Verstärkungsstufen erfordern, um in der Lage zu sein, die Kapazitäten der nachfolgenden Elektronik schnell genug anzusteuern.
Zwei mögliche Verstärkungsstufen werden in 9 gezeigt. Die Erste ist ein Miller-Integrator, wobei ihre Kapazität die Abtastdiffusionen ersetzt, welche in 7 und 8 dargestellt sind. Der zweite Verstärker ist eine Quellenfolgerschaltung, welche bei Bildgebungssensoren für das Auslesen der Pixel weit verbreitet ist.
Die Pixel in 10 weisen einen Bereich eines Drift-Felds auf, welches bei dem Beispiel durch eine potenziell dendritische Gate-Struktur mit hohem Widerstand hergestellt wird, welche phototransparent ist. Die phototransparente Gate-Struktur mit hohem Widerstand gestattet die Erzeugung eines Photostroms unten in dem Substrat, wobei vorgesehen ist, dass der Strom aufgrund des Drift-Felds zu dem Demodulationsbereich fließt. Die Demodulationsstufe ist in dieser 10 beispielhaft als eine CCD-Struktur mit vier Abtastungen dargestellt, wobei die geschlossene Gate-Struktur auf die gleiche Zwischenspannung eingestellt wird wie die Niederspannungs-Node des Gates mit hohem Widerstand. Vier Speicher-Nodes sind eingeschlossen. Vorteilhafterweise ist der Demodulationsbereich um einen Faktor kleiner als der tatsächliche photoempfindliche Bereich, d. h. als der Detektionsbereich mit seinen konstanten Drift-Feldern.
Der Pixel in 10 umfasst einen Demodulationsbereich wie in 6(a) illustriert: vier Abtast-Nodes, vier Gate-Kontakte GC10 bis GC40 und eine geschlossene Gate-Struktur GS. In 10(a) wird die Detektionsstufe von vier geometrisch symmetrischen Gate-Strukturen DT1, wie in 6(a) gezeigt, und vier entsprechenden Injektions-Nodes gebildet, welche auch als der Kontakt K2 identifiziert sind. Der Kontakt K1 wird auf eine niedrige Spannung eingestellt, und der Kontakt K2 wird auf eine Zwischenspannung eingestellt, so dass innerhalb des Detektionsbereichs ein linearer Potenzialgradient erzeugt wird. Folglich sind die vier Detektionsbereiche des statischen Drift-Felds photoempfindlich und bewirken, dass die erzeugten Photoladungen zu dem Demodulationsbereich driften. Die vier Kontakte GC10 bis GC40 des Demodulationsbereichs steuern die Aktivierung der Leitungskanäle. Sie schalten zwischen niedrigen Spannungspegeln und hohen Spannungspegeln um. Die vier Kontakte IGC10 bis IGC40, welche den Kontakten der vier Integrations-Gates IG10 bis IG40 entsprechen, werden auf eine noch höhere Spannung eingestellt, um die Speicherung der erzeugten Photoladungen zu ermöglichen. Die vier Kontakte DGC10, ..., DGC40 steuern das Entkopplungs-Gate, welches auch das außen liegende Gate genannt wird, und deshalb benötigen sie eine niedrige Spannung. In 10(b) ist der Pixel ähnlich dem, welcher in 10(a) dargestellt ist, doch nur ein Detektionsbereich des statischen Drift-Felds ist für die Injektion von Ladungen in die Demodulationsstufe verantwortlich. Der Detektionsbereich umfasst eine Detektionsstruktur DT1, d. h. ein geschlossenes Gate mit hohem Widerstand, wie in 6(a) illustriert. 10(c) zeigt ein Beispiel eines Pixels mit einem Detektionsbereich mit einer dendritischen Gate-Struktur aus kombiniertem Material mit hohem Widerstand und/oder mit niedrigem Widerstand, welches einen geringeren Stromverbrauch zeigt, wobei diese Detektionsstruktur derjenigen entspricht, welche in 6(c) illustriert ist. 10(d) zeigt den gleichen Detektionsbereich wie in 10(c). Jedoch ist die Injektion der erzeugten Photoladungen verschieden. In 10(b) und 10(c) benötigen die Ladungen verschiedene Zeitverzögerungen, um die verschiedenen Speicher-Nodes zu erreichen. Um diesen „Schmier-" Effekt zu vermeiden, kann die Injektion von Ladungen in die Mitte des Demodulationsbereichs durchgeführt werden. Der Kontakt K2 umfasst ein erstes Kontaktelement K10 an dem Ende des Detektionsbereichs, zwei zusätzliche Diffusionsbereiche D8, D9, einen an dem Ende des ersten Kontaktelements K10 und einen in der Mitte des Demodulationsbereichs, d. h. in der Mitte der geschlossenen Gate-Struktur GS, und bei ihrer Verbindung miteinander können Kontaktelemente K20 auf der geschlossenen Gate-Struktur GS nahe des Diffusionsbereichs D8 vorgesehen werden. Folglich benötigen die injizierten erzeugten Photoladungen die gleiche Zeit, um sich zu jeder Speicher-Node zu bewegen. Dieses Beispiel zeigt, dass die Injektion von Ladungen nicht von der Seite des Demodulationsbereichs erzielt werden muss, wie in 10(a), 10(b) und 10(c) dargestellt. Ferner ermöglicht die Injektion in die Mitte des Demodulationsbereichs, Schmiereffekte zu vermeiden. Die bestimmte Implementierung ist nicht auf das Beispiel in 10(d) beschränkt.
Unter Verweis auf 6, 7 oder 8 können die Gate-Strukturen entweder des Detektionsbereichs oder des Demodulationsbereichs auch fragmentiert, dendritisch oder baumartig sein, um den Stromverbrauch sogar noch stärker zu reduzieren. Eine derartige Gate-Struktur mit ihrer Elektrodenschicht in einer baumartigen Form wird in europäischen Patentanmeldung Nr. 04'405'489 beschrieben. Ein sehr einfaches Beispiel der Realisierung einer bestimmten elektrischen Feldverteilung wird in 11 und 12 dargestellt. 11 und 12 richten sich nur beispielhaft auf den Detektionsbereich, auch der Demodulationsbereich kann auch fragmentiert, dendritisch oder baumartig sein.
11 zeigt eine erwünschte zweidimensionale elektrische Feldverteilung, und 12 zeigt eine kombinierte Gate-Struktur mit niedrigem und hohem Widerstand 3, welche die elektrische Feldverteilung der 11 realisiert. Die Architektur des dendritischen Gates 3 gestattet die Erzeugung aller willkürlich ausgewählten zweidimensionalen Verteilungen des elektrischen Felds in dem Gate 3 und in dem Halbleitermaterial. Eine zweidimensionale Anordnung von Gate-Materialien mit hohem und mit niedrigem Widerstand 31, 32 erzeugt eine zweidimensionale elektrische Feldverteilung, welche in Größenordnung und Richtung variiert.
In diesem Fall ist die Kombination von Materialien mit hohem und mit niedrigem Widerstand 31, 32 in dem Gate 3 das grundlegende Werkzeug für die Erzeugung einer erwünschten elektrischen Feldverteilung aufgrund eines Stromflusses durch das Gate 3 selbst. Wann immer eine spezifische zweidimensionale elektrische Feldverteilung erforderlich ist, ist die Topologie der entsprechenden Gate-Struktur 3 typischerweise auch von zweidimensionaler Natur.
Das dendritische Gate 3 selbst wird an seinem Außenrand mit mindestens zwei (oder mehr) Kontakten K1, K2 kontaktiert, welche in Abhängigkeit von der Betriebsart mit statischen oder schaltbaren Spannungsquellen verbunden sind. Zwischen den Kontakten K1, K2 gibt es mindestens eine Verbindung mit Gate-Material mit hohem Widerstand 31.
Der Strom, welcher durch die dendritische Gate-Struktur 3 fließt, stellt die zweidimensionale Potenzialverteilung her, welche in 11 gezeigt ist und welche im Wesentlichen in dem oberen Bereich des Halbleitervolumens reproduziert wird.
Die Form der Elektrodenschicht 3 oder ihre komplementäre Form können harfenartig, kammartig, baumartig, schlangenartig, eiskristallartig oder eine perforierte Ebene sein. Wenn diese dendritische Form als Gate-Struktur GS des Demodulationsbereichs verwendet wird, weist sie den Vorteil auf, den optimalen Kompromiss zwischen Demodulationsfrequenz, Antwortgeschwindigkeit aufgrund der RC-Zeitkonstanten des dendritischen Gates und des Gesamtstromverbrauchs des Gates und seiner dazugehörigen elektronischen Treiberschaltung zu realisieren.
Eine andere Implementierung der Gate-Struktur kann mit Floating-Gates oder durch Floating-Diffusion geschehen, wie in der europäischen Patentanmeldung Nr. 04'007'760 beschrieben. Beispiele dieser Implementierung werden in 13 und 14 gezeigt. 13 und 14 richten sich nur beispielhaft auf den Detektionsbereich, wobei der Demodulationsbereich auch mit einer Gate-Struktur mit Floating-Gates oder mit Floating-Diffusion implementiert werden kann.
13 zeigt einen Querschnitt durch eine Gate-Struktur, welche eine hohe Antwortgeschwindigkeit bietet. Auf einem Halbleitersubstrat A werden mehrere Floating-Gates FG1 bis FG7 angeordnet. Das Substrat A kann z. B. aus einem Silizium-Volumen mit p-Dotierung angefertigt werden. Es können jedoch andere Materialien, wie beispielsweise Germanium und/oder andere Dotierungen, wie beispielsweise die n-Dotierung, als das Substrat verwendet werden; für derartige Alternativen sind Durchschnittsfachleute in der Lage, die nötigen Anpassungen an die hier beschriebenen Ausführungsformen anzufertigen. Die Gates FG1 bis FG7 werden typischerweise aus undotiertem oder dotiertem Polysilizium angefertigt. Sie sind elektrisch voneinander isoliert, z. B. durch eine Oxid-Schicht (nicht gezeigt), in welche sie vorzugsweise eingebettet sind. Eine dünne (vorzugsweise 1 bis 500 nm dicke) Isolatorschicht O, z. B. eine Silika-Schicht, trennt das Substrat A von den Gates FG1 bis FG7.
Die beiden am weitesten entfernten Gates FG1, FG7 werden jeweils durch einen elektrischen Kontakt K1, K2 kontaktiert. Wenn zwei verschiedene Spannungen V10 und V20 an den Kontakten K1 bzw. K2 angelegt werden, nehmen die dazwischen liegenden Floating-Gates FG2 bis FG6 aufgrund einer kapazitiven Koppelung ein Zwischenpotenzial an. Als eine Konsequenz wird eine diskrete, treppenartige Potenzialverteilung Φ(x) erzeugt, welche von der horizontalen Koordinate x abhängt. Die Potenzialverteilung Φ(x) wirkt über den Isolator O an der Schnittstelle zwischen Halbleitersubstrat A und Isolator O. Ladungsträger, z. B. Elektronen e-, welche in das Substrat A durch die Ladungsinjektions-Nodes injiziert werden, bewegen sich entlang der lateralen elektrischen Feldlinien zu dem Punkt höchster Potenzialenergie, z. B. zu K2 in dem Fall, dass V20 größer als V10 ist. Folglich wird gemäß der Erfindung die Aufgabe der Ladungstrennung und des -Transports von einem lateralen elektrischen Feld an der Oberfläche des Substrats A übernommen.
Die Aufgabe der Ladungssammlung und -Detektion wird nahe an dem Kontakt K2 realisiert, was ein maximales Potenzial bereitstellt. Zu diesem Zweck wird ein n+-dotiertes Floating-Diffusionsvolumen D auf der Oberfläche des Substrats A bereitgestellt, in welchem die injizierten Ladungsträger gesammelt werden. Das Diffusionsvolumen D wird durch einen elektrischen Kontakt zum Anlegen einer Spannung und zum Auslesen der Ladungen kontaktiert. Das Potenzial der Sammlungsdiffusion D muss höher als die Elektrodenkontaktspannung V20 sein, so dass die Minoritätsträgerelektronen in der Diffusion D gespeichert werden. Ersatzweise können die Ladungen zuerst unter einem Integrations-Gate integriert werden und nachfolgend durch das Diffusionsvolumen D ausgelesen werden.
14 zeigt einen Querschnitt eines Detektions- oder Demodulationsbereichs unter Verwendung von Floating-Implantaten statt einer Gate-Struktur. Bei dieser Ausführungsform ist eine Matrix von Floating-Implantaten FI1 bis FI7 auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrats A angeordnet. Das Substrat A kann z. B. aus Silizium-Volumen mit p-Dotierung angefertigt sein. Die Floating-Implantate FI1 bis FI7 können p+-Implantate in einem vergrabenen n+-Kanal BC sein.
Die Funktion der Ausführungsform der 14 ist analog zu derjenigen der ersten Ausführungsform der 13. Die beiden am weitesten entfernten Floating-Implantate FI1, FI7 werden jeweils durch einen elektrischen Kontakt K1, K2 kontaktiert, und zwei verschiedene Spannungen V10 und V20 werden an die Kontakte K1 bzw. K2 angelegt. Die dazwischen liegenden Floating-Implantate FI2 bis FI6 nehmen aufgrund des Durchgreifmechanismus ein Zwischenpotenzial an. Folglich wird eine annähernd diskrete, treppenförmige Potenzialverteilung Φ(x) erzeugt. Die injizierten Ladungsträger, z. B. Elektronen e-, werden in einem n+-dotierten Floating-Diffusionsvolumen D detektiert, in welchem sie gesammelt werden.
Wenn Elektronen gesammelt werden sollen, sollte das Substrat A p-dotiert sein. Die Sammlungsdiffusion D ist vom n+-Typ, und die Spannungen V10, V20 an den Elektrodenkontakten K1, K2 sind derartig, dass die am meisten positive Spannung an dem Kontakt K2 angelegt wird, welcher der Sammlungsdiffusion D am nächsten ist. Die Spannungen müssen hoch genug sein, so dass sich eine Verarmungszone von der Halbleiter-Oxid-Schnittstelle in das Halbleitersubstrat A erstreckt. Das Potenzial der Sammlungsdiffusion D muss höher als die Elektrodenkontaktspannung V20 sein, so dass die Minoritätsträgerelektronen in der Diffusion D gespeichert werden.
Wenn injizierte Löcher gesammelt werden sollen, sollte das Substrat A n-dotiert sein. Die Sammlungsdiffusion D ist vom p+-Typ, und die Spannungen V10, V20 an den Elektrodenkontakten K1, K2 sind derartig, dass die am meisten negative Spannung an dem Kontakt K2 angelegt wird, welcher der Sammlungsdiffusion D am nächsten ist. Die Spannungen müssen niedrig genug sein, so dass sich eine Verarmungszone von der Halbleiter-Oxid-Schnittstelle in das Halbleitersubstrat A erstreckt. Das Potenzial der Sammlungsdiffusion D muss niedriger als die Elektrodenkontaktspannung V20 sein, so dass die Minoritätsträgerlöcher in der Diffusion D gespeichert werden.
Es kann folglich ein Beispiel der Implementierung des Demodulationsbereichs sein, einen Floating-Bereich und Kontaktbereiche bereitzustellen, welche mit elektrischen Kontakten versehen sind, welche jeweils nahe jeder der Ausgabe-Nodes des Demodulationsbereichs angeordnet sind. Folglich kann ein elektrischer Potenzialunterschied zwischen der Kontakt-Node K2 des Detektionsbereichs und einem der Kontakte des Demodulationsbereichs für die Demodulation angelegt werden.
Diese Erfindung ist nicht auf die oben stehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen beschränkt, an welchen Variationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne den Schutzumfang der angefügten Ansprüche zu verlassen.

1: Photoempfindlicher Detektionsbereich
2: Demodulationsbereich
4: Verarbeitungs-Schaltkomplex
6: Verstärkungs-Schaltkomplex
DP, DP(x, y): Pixelvorrichtung
S1, ..., Sk: Speicherorte
CC1, ..., CCK: Leitungskanäle
GC1, ..., GCk: Kontakte
CPG: Elektrodenkontakt-Spannungsmustergenerator
DFG: Spannungsgenerator
CAG: Generator zur Auswahl von Spaltenadressen
RAG: Generator zur Auswahl von Zeilenadressen
OA1, ..., OAj: Operationsverstärker
MX1, ..., MXj: Multiplexleitungen
out1, ..., outj: Ausgaben der Pixelvorrichtung
LT1, ..., LTj: Lasttransistoren
L1, ..., Lk: Verbindungsleitungen
VL1, VL2, VR: Spannungspegel
VB: Vorspannungsleitung
OB: Objekt
IM: Lichtquelle
ML1: Moduliertes Licht
CB: Steuerungskarte
SN: Bildsensor
PC: Personal-Computer
ES: Emittiertes Signal
RS: Empfangenes Signal
DT1, ..., DT5: Strukturen für den Detektionsbereich
KI, K2: Elektrische Kontakte
IL1: Isolatorschicht
SUB1, SUB10: Halbleitersubstrat
MIC: Minoritätsträger
GM1: Gate-Material mit hohem Widerstand
GM1.1, GM1.i, GM1.n: Aufeinanderfolgende Fragmente aus Gates-Material mit hohem Widerstand
FG1, FGi, FGn: Phototransparente Floating-Gates
FD1, FDi, FDn: Floating-Diffusionsbereiche
VG1, VGi, VGn: Parallele Gates
RL1, ..., RLn: Lineare Widerstände
V1, ..., Vn, V10, V20: Vorspannung
D1, D2, D10 bis D40: Diffusionsbereiche
GS: Gate-Struktur
IG1, IG2, IG10 bis IG40: Integrations-Gates
DG1, DG2, DG10 bis DG40, GC1, GCm, GC10 bis GC40: Entkopplungs-Gates
DGC10 bis DGC40, IGC10 bis IGC40: Gate-Kontakte
BC: Vergrabener Kanal

Claims

Pixelvorrichtung in einem Halbleitersubstrat (SUB1; SUB10), welche darauf eingerichtet ist, ein einfallsmoduliertes elektromagnetisches Wellenfeld zu detektieren und/oder zu demodulieren, umfassend – Detektierungsmittel (1) zum Umwandeln des einfallenden elektromagnetischen Wellenfeldes in ein elektrisches Signal strömender Ladungen, – Abtastmittel (LG, MG, RG, IG1, DG1, IG2, DG2; DG10, IG10, DG20, IG20) zum Abtasten des elektrischen Signals strömender Ladungen in mindestens zwei verschiedenen Zeitintervallen innerhalb einer Modulationsperiode, und – mindestens zwei Ausgabe-Nodes (D1, D2; S1, S2) für elektrische Signale, die von den Abtastmitteln abgetastet wurden, dadurch gekennzeichnet, dass die Pixelvorrichtung ferner umfasst: – Demodulationsmittel (2), die die mindestens zwei Ausgabe-Nodes und die Abtastmittel umfassen, wobei die Abtastmittel zweite Übertragungsmittel (LG, MG, RG; GS) aufweisen, und – eine zwischen den Detektionsmitteln und den Demodulationsmitteln angeordnete Kontakt-Node (K2), die Detektionsmittel (1) erste Übertragungsmittel (GM1; GM1.i; FGi; FDi; VGi) umfassen, die ersten Übertragungsmittel darauf eingerichtet sind, das elektrische Signal strömender Ladungen an die Kontakt-Node zu übertragen, und die zweiten Übertragungsmittel darauf eingerichtet sind, das elektrische Signal strömender Ladungen während jedes der mindestens zwei Zeitintervalle von der Kontakt-Node an die mindestens zwei dem entsprechenden Zeitintervall zugewiesenen Ausgabe-Nodes zu übertragen.
Pixelvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Größe der Demodulationsmittel kleiner als die Größe der Detektionsmittel ist.
Pixelvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Detektionsmittel photoempfindlich sind.
Pixelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten Übertragungsmittel eine Gate-Struktur (GM1; GM1.i) aufweisen, die darauf eingerichtet ist, ein statisches Drift-Feld zu definieren, das die Übertragung des elektrischen Signals strömender Ladungen zur Kontakt-Node (K2) ermöglicht.
Pixelvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Gate-Struktur (GM1; GM1.i) eine gegenüber dem Halbleiter-Substrat (SUB1) isolierte resistive Elektrodenschicht und mindestens zwei Anschlüsse (K1, K2) zum Anlegen einer elektrischen Potentialdifferenz entlang der Elektrodenschicht aufweist.
Pixelvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Elektrodenschicht eine dendritische oder baumartige Struktur aufweist, und wobei ihre Form oder komplementäre Form vorzugsweise harfenartig, kammartig, baumartig, schlangenartig, eiskristallartig ist oder eine perforierte Ebene ist.
Pixelvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Elektrodenschicht aus einem Material (31) eines oder mehrerer Materialien mit verschiedenen Blattwiderständen besteht.
Pixelvorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, wobei die ersten Übertragungsmittel mindestens einen schwimmenden Bereich (FG2, ..., FGn-1; FD2, ...FDn-1) und mindestens zwei Kontaktbereiche (FG1, FGn; FD1, FDn) aufweisen, die mit elektrischen Kontakten (K1, K2) zum Anlegen einer elektrischen Potentialdifferenz an die mindestens zwei Kontaktbereiche (K1, K2) versehen sind, wobei die Kontaktbereiche (FG1, FGn; FD1, FDn) gegenüber dem mindestens einen schwimmenden Bereich (FG2, ..., FGn-1; FD2, ...FDn-1) elektrisch isoliert, aber elektrisch an mindestens einen des mindestens einen schwimmenden Bereichs gekoppelt sind.
Pixelvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die ersten Übertragungsmittel eine Anordnung einer Mehrzahl von schwimmenden Bereichen (FG2, ..., FGn-1; FD2, ...FDn-1) aufweisen, wobei die Anordnung derart ist, dass benachbarte schwimmende Bereiche elektrisch gegeneinander isoliert aber trotzdem elektrisch aneinander gekoppelt sind.
Pixelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Übertragungsmittel eine Mehrzahl von Gate-Elektroden (LG, MG, RG) aufweist, die darauf eingerichtet sind, einen Leitungskanal von der Kontakt-Node während jedes der mindestens zwei Zeitintervalle zu den mindestens zwei dem entsprechenden Zeitintervall zugewiesenen Ausgabe-Nodes zu definieren.
Pixelvorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Gate-Elektroden CCD Gate-Elektroden sind.
Pixelvorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, wobei das zweite Übertragungsmittel eine Gate-resistive Schicht (GS) mit mindestens zwei Kontakten aufweist, welche Kontakte jeweils in der Nähe jeder der mindestens zwei Ausgabe-Nodes positioniert sind, um ein Drift-Feld von der Kontakt-Node während jedes der mindestens zwei Zeitintervalle zu den mindestens zwei dem entsprechenden Zeitintervall zugewiesenen Ausgabe-Nodes zu definieren.
Pixelvorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Gate-resistive Schicht eine dendritische oder baumartige Form hat und wobei ihre Form oder komplementäre Form vorzugsweise harfenartig, kammartig, baumartig, schlangenartig, eiskristallartig ist oder eine perforierte Ebene ist.
Pixelvorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, wobei das zweite Übertragungsmittel mindestens einen schwimmenden Bereich und mindestens zwei mit elektrischen Kontakte versehene Kontaktbereiche aufweist, die jeweils in der Nähe jeder der mindestens zwei Ausgabe-Nodes positioniert sind, um eine elektrische Potentialdifferenz zwischen der ersten Kontakt-Node während jedes der mindestens zwei Zeitintervalle und jeder der mindestens zwei dem entsprechenden Zeitintervall zugewiesenen Ausgabe-Nodes zu definieren.
Pixelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder der mindestens zwei Ausgabe-Nodes eine Ansammlungsregion (IG1, IG2, IG10, IG20) zugewiesen ist, um die Ladungsträger des elektrischen Signals der an die entsprechende Ausgabe-Node (D1, D2) übertragenen strömenden Ladungen anzusammeln.
Pixelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kontakt-Node (K2) ein elektrischer Kontakt ist.
Pixelvorrichtung nach Anspruch 1 bis 15, wobei die Kontakt-Node (K2) eine erste Diffusions-Node (D9) an einer Extremität der Detektionsmittel und eine zweite Diffusions-Node (D8) in der Mitte der Gate-Struktur der Demodulationsmittel aufweist, wobei die erste Diffusions-Node in Beziehung zu der zweiten Diffusions-Node steht.
Pixelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das einfallsmodulierte elektromagnetische Wellenfeld intensitätsmoduliert ist.
Dreidimensionales Bildgebungssystem, umfassend eine Lichtquelle (IM) zum Beleuchten einer entfernten Szene (OB) mit einem modulierten elektromagnetischen Wellenfeld (ML1), eine Mehrzahl von Pixeln (SN) zum Wahrnehmen und Demodulieren eines modulierten elektromagnetischen Signals, und Steuermittel (CB) zum Bereitstellen einer Timing-Regulierung für die Mehrzahl von Pixeln, gekennzeichnet durch eine Pixelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18 für die Detektion und die Demodulation des modulierten elektromagnetischen Signals.
Dreidimensionales Bildgebungssystem nach Anspruch 19, wobei die Pixelvorrichtungen (DPx, y), (DP(x + 1, y)...) in Reihen und Spalten eines zweidimensionalen Arrays angeordnet sind.
Dreidimensionales Bildgebungssystem nach einem der Ansprüche 19 und 20, wobei jede Pixelvorrichtung (DPx, y), (DP(x + 1, y)...) eine Spaltenadresse und eine Reihenadresse aufweist und von einem Generator zur Auswahl von Spaltenadressen und einem Generator zur Auswahl von Reihenadressen auswählbar ist.
Dreidimensionales Bildgebungssystem nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei jede Pixelvorrichtung mit einem Spannungsgenerator (CPG) zur gleichzeitigen Erzeugung eines Drift-Feldes in den Demodulationsmitteln der Pixelvorrichtungen verbunden ist, und jede Pixelvorrichtung mit einem Rücksetz-Generator zum gleichzeitigen Zurücksetzen seines abgetasteten Werts verbunden ist.
Dreidimensionales Bildgebungssystem nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei auf jeder Spalte von Pixelvorrichtungen ein Verstärker (OAi) für jede Ausgabe-Node der Pixelvorrichtungen dieser Spalte bereitgestellt ist.
Einsatz des dreidimensionalen Bildgebungssystems nach einem der Ansprüche 19 bis 23 für die Messung von Phasenverzögerungen zwischen einem modulierten elektromagnetischen Wellenfeld und einem elektronischen Bezugssignal, insbesondere für dreidimensionale Bereichsmessung, für Fluoreszenz-Bildgebung oder für optische Kommunikation.